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土壤铅污染及其超富集植物研究进展

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第5期 2016年2月 江苏科技信息 Jiangsu Science&Technology ln ̄rmation No.5 February,2016 土壤铅污染及其超富集植物研究进展 刘秋香,张沐,杨程 (江苏省地质调查研究院,江苏南京210018) 摘要:土壤铅污染已成为严重的环境问题,重金属铅在土壤中分布广泛且具有积累性,能够通过食物链 富集而危害人体健康,发展有效且环境友好的土壤铅污染修复技术已成为当前的研究热点。文章综述了 土壤铅污染的来源、现状及危害,简要介绍了修复土壤铅污染的新方法——植物修复技术及其相关的超 富集植物。同时,探讨了超富集植物修复土壤铅污染的现状及应用状况,为进一步利用植物修复技术治 理土壤重金属污染提供理论依据。最后,指出目前超富集植物萃取土壤重金属技术的不足,并对今后超 富集植物修复技术予以展望。 关键词:土壤;重金属铅;植物修复;超富集植物 0引言 土壤重金属污染是指由于人类活动致使土壤重 金属含量升高,对土壤圈生态系统以及人类健康构成 巨大的潜在风险,并造成生态环境质量恶化的现象…。 随着城市化、农业化和工业化进程的加速,土壤重金 属污染程度愈来愈严重。因其具有隐蔽I生、不可逆性 和积累性等特点[ ,已成为全球关注的环境问题。对 土壤造成污染的重金属包括铅、锌、铜、汞、铬等元素。 与其他元素相比,铅因溶解度小,不易降解,在土壤中 的滞留时间较长而累积。土壤中过量的铅不仅影响植 物生长,而且会被植物吸收而积累在植物体内,通过 食物链进人人体,对人体造血系统、外部神经系统和 中枢系统造成损伤,危害人体健康和人类可持续发 展,因而引起了国内外学者的高度重视。近些年对土 壤重金属铅污染的研究和修复已经成为重金属环境 污染问题的主要研究方向 。本文对土壤铅污染的 来源、现状、危害及其超富集植物修复的研究进展等 方面进行了分析和总结,为治理土壤重金属污染提供 理论依据。 1 土壤重金属铅污染 1.1土壤铅的来源 铅是自然界常见的重金属元素之一,土壤中铅有 自然来源和人为来源。前者主要来自矿物和岩石,如 方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)等。世界范围内土壤铅 含量介于3-200mg·kg- ,平均值为35mg·kg |4]。不同 地区土壤铅含量差异较大,主要是由土壤类型、母质 和气候等因素造成的 ]。铅的人为来源途径较多,如 矿山开采、金属冶炼和汽车废气排放等,是环境中铅 的主要来源,此外还来自于燃煤、油漆涂料、含铅肥料 和农药等。人类和工业等活动产生的铅大部分回归到 土壤中[ 。 1.2土壤重金属铅污染的现状 目前,众多科研工作者已对土壤重金属铅污染进 行了深入研究。过去50年间,排放到全球环境中的铅 约有7.83x10 t,其中大部分进入土壤,致使世界各国 土壤出现不同程度的重金属污染[7]。我国24个省(市) 城郊、污水灌溉区和工矿等320个重点污染区中,重 金属含量超标的农产品面积约占污染区农产品总面 积的80%以上,其中铅是最严重的污染元素之一_8]。 据统计,我国大中城市郊区蔬菜、粮食、水果、肉类与畜 产品中铅的超标率分别为38.6%,28.0%,27.6%,41.9% 和71.1%。张中一等[9]调查了南京市郊25个菜地土 壤,铅含量均值达到29.7mg·kg~,约有92%的菜地土 壤中Pb元素含量高于南京地区自然土壤铅背景值 (24.8mg·kg )。尚英男等[1 0_调查发现成都土壤铅含量 变化范围介于61.0 ̄1 15.Omg·kg-1,均值为77.3mg·kg~, 所有土壤铅含量均超过成都市土壤环境背景值 (22.3mg·kg )。王新等 1]研究发现辽宁省铁岭柴河 铅锌矿区土壤Pb元素含量分别为当地背景含量的5 倍,矿区玉米籽实际Pb元素含量分别是国家食品卫 生标准的16—21倍。由此可见,我国重金属铅污染现 象非常普遍,污染严重程度不容乐观。 l-3土壤重金属铅污染的危害 铅进入土壤后大多位于土壤的表层,几乎不下 移,与表层土壤中的有机质结合,且不易溶解。植物吸 收土壤铅的主要累积部位在根部,只有少数才转移到 地上部分。积累在根、茎和叶内的铅,可影响植物的生 长发育,主要表现为叶绿素下降,阻碍植物的呼吸及 光合作用,进而降低植物产量。此外,铅会通过食物链 进入动物体内,影响其造血系统、外部神经系统和中 枢系统,危害动物健康。取食于铅和锌冶炼厂边杂草 的马和牛,易发生铅中毒,表现出关节肿胀并疼痛,喉 返神经麻痹,且伴有马嘶声和马喘呜症_1 。铅污染对 人类健康的影响也已引起人们充分关注。长期生活在 铅污染区的孕妇体内红细胞锌原卟啉、红细胞精氨酸 酶和血铅含量明显高于生活在无铅污染区的孕妇,而 基金项目:江苏省科技计划一社会发展项目;项目编号:BE2014722。 作者简介:刘秋香(1982一),女,湖北孝感,硕士,工程师;研究方向:环境污染物分析。 第5期 2016年2月 No.5 江苏科技信息·技术探讨 February,2016 前者的妊娠周数、胎儿成活率和成活胎儿出生体重等 明显低于后者¨1 。此外,铅污染也显著影,I ̄JL童中枢 神经系统。澳大利亚研究者发现,血铅含量为10~ 301xg·dL 的7岁儿童,与低血铅含量的同龄儿童相 比,智商低5%。发展中国家约有1500~1800万儿童 因铅中毒而使脑终生受损[1 。我国儿童血铅超标事 件也时有发生,如陕西凤翔儿童血铅超标、广东清远 儿童血铅超标及江苏盐城大丰市儿童血铅超标事件。 基于土壤铅元素的危害,开展重金属铅污染修复研究 对于生态环境和保护人类健康意义重大。 2植物修复的原理和分类 传统修复土壤重金属污染的方法主要包括工程 措施或化学方法,不仅成本昂贵,操作不便,而且会破 坏土壤结构以及微生物区系,可能造成“二次污染”。 植物修复技术(Phytoremediation)作为一种新兴的绿 色生物技术,直接将某种特定的植物种植在重金属污 染区域,因植物对土壤中的污染元素有特殊的吸收和 吸附能力,直接吸收污染元素,将其从土壤中带走,达 到污染治理与生态修复的目的[15]。因具有成本低、不 破坏土壤及河流生态环境、不引起二次污染等优点, 植物修复在土壤污染治理方面受到广泛重视。根据其 作用机理可将植物修复技术分为植物提取 (phytoextraction)、植物挥发(phytovolatilization)、植物 钝化(phytostabilisation)、根际过滤(phytoinfiltration) 和植物降解作用(phyto—enhanced degradation)5种类 型,重金属污染土壤的植物修复技术主要应用到前3 种方式[ 。 植物提取是指利用重金属富集能力较强的植 物——超积累植物的根系吸收污染土壤中的重金属, 转移并储存在地上部分,随后收获地上部分并集中处 理_】 。植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物 质使土壤中的重金属转化为可挥发态,或者植物吸收 土壤中的重金属至体内后将其转化为气态物质释放 到大气中,从而净化土壤 。植物钝化是植物利用其 自身的机械稳定和沉淀作用固定土壤中重金属,降低 重金属毒性并防止其进入水体和食物链,从而降低对 环境的污染I】 。总体来讲,植物提取技术是目前研究 最为广泛且最有发展前景的方法。 3土壤重金属铅的超富集植物 3.1超富集植物的概念和特征 1583年意大利植物学家Cesalpino首次发现在意 大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊植物,这是 有关超富集植物(Hyperaccumulator)的最早报道 ]。 超富集植物的概念是Brooks等 1_提出来的,一般认 为重金属含量超过一般植物100倍的植物属于超富 集植物,即Cr,Co,Ni,cu,Pb的含量应在1000mg·kg 以上,Mn,Zn含量应在10000mg·kg 以上,超富集植 物又称超积累植物。超富集植物往往是长期生长在 重金属含量较高的土壤上,经过不断地生物进化而形 成的,或是通过遗传工程或基因工程培育、诱导而成 的_22]。它们一般具有几个重要的特征 ]:(1)植物体 内重金属浓度超过一定临界值(见表1 o(2)植物吸 收的重金属大部分分布在地上部分,即有较高的地上 部/根浓度比率。(3)在重金属污染的土壤上这类植物 能良好地生长,一般不会发生毒害现象。(4)具有很强 表1 重金属在土壤和普通植物中的平均浓度及 超积累植物的临界标准 (单位:txg·g WD) 元素 土壤 Cd Co Cr Cu Mn Ni 植物 超积累植物临界标准/(ixg·g ) 100 1 1 10 80 2 10 60 20 850 40 1000 1000 1000 10000 1000 Pb Zn 10 50 5 100 1000 10000 的抗虫、抗病能力。 迄今为止,世界上发现的重金属超富集植物大约 700种,其中在中国发现的有3O多种 ]。其中绝大 多数都属于镍超富集植物、锌超富集植物、砷超富集 植物、锰超富集植物和铅超富集植物等,其他超富集 植物种类相对较少。 3.2铅超富集植物的国内外研究现状 由表1看出,植物地上部分的铅累积量达到 1000mg·kg- 才能称之为铅超富集植物。自然界中多数 植物对铅的吸收能力很低,普通植物的铅含量一般为 10rag·kg-l 。目前国内外已发现的铅超富集植物并 l不多,主要集中于铅锌矿区和冶炼厂废弃处。Reeves[ 曾报道圆叶遏蓝菜(Thlaspi.rotundifolium)吸收的铅含 量可达8500mg·kg-'。Kumar 将印度芥菜(Brassica Juncea)种植在铅浓度为625 mg·kg 的土壤中,发现 茎中铅含量达到1.5%。Xiong等。勰]研究发现Brassica nigua也是一种铅超富集植物。相对于国外科研人员, 我国对于铅超富集植物的研究起步较晚,但近10年 来,重金属超富集植物的筛选和研究受到国内科研人 员广泛关注并取得不少成果。柯文山29 温室砂培盆 栽条件下研究了十字花科芸薹属5种植物芥菜、芥 兰、鲁白、竹芥、甘蓝对铅的吸收、富集和耐性,发现鲁 白和芥菜地上部分铅富集量超过1 000mg·kg~,尤其是 鲁白可将85%以上的铅转移至地上部分,迁移总量大 且根系的耐性指数高。胡宗达等 ]调查四川汉源县 普陀山铅锌矿区的优势草本植物,发现小鳞苔草富集 铅的能力较强,其地上部分铅含量高达1 834 mg·kg~, 植株对铅富集系数和转运系数分别为3.1和9.9。温 室砂培盆栽条件下,刘秀梅等 31]研究了铅锌尾矿区 附近生长的山野豌豆、草木樨、披碱草、酸模、紫苜蓿 和羽叶鬼针草体内铅含量、分布与迁移总量和根系的 耐性,发现羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属铅,二 者可以修复被铅污染的土壤。罗于洋等 研究了密 第5期 No.5 2016年2月 江苏科技信息·技术探讨 February,2016 毛白莲蒿对铅的富集特l生,发现其对铅的富集系数和 度快以及适应性强的铅超富集植物。 转运系数分别可达1.36和l0.4。吴双桃等『3 ]对湖南 (2)目前关于铅超富集植物对铅的吸收、转运及 省株洲市铅锌冶炼厂附近的植物进行分析,首次报道 贮存机理的研究还较少,大多数集中在锌、镍的超富 了土荆芥是一种铅超富集植物,其体内铅含量高达 集植物生理和分子机制上。所以,应该加强超富集植 3888mg。kg~。 物对铅在其体内的吸收、转运、解毒等生理生化机理 3.3铅超富集植物的筛选和应用 的研究,从而提高铅超富集植物自身对重金属的积累 目前常用超富集植物的筛选方法有野外采样分 能力。 析法和盆栽模拟法 ]。多数铅的超富集植物都是由 (3)筛选出铅超富集植物,建立重金属超富集植 野外采样分析法筛选出来的。通常对某一种或者某几 物的网上数据库,从而实现资源的共享。 种重金属元素具有超富集能力的植物都会大量生长 (4)将铅超富集植物与化学方法、物理方法、微生 在富含这些元素的土壤表层,如矿区、成矿作用带等。 物法以及动物修复法等土壤重金属铅的修复方法联 因此,研究铅的超富集植物的空间分布特征,在其分 合起来,实现多种修复技术的综合应用。 布的区域进行野外采样筛选能够有助于较快地发现 (5)铅污染的土壤往往会伴随其他重金属的污染, 新的铅超富集植物,大大提高筛选效率和准确性。铅 因此,利用铅超富集植物进行土壤的修复时也应考虑 超富集植物不仅在区域分布上有一定的规律,在科、 多种重金属超富集植物生态位的搭配,从而实现多种 属上也有相应的分布规律。因此,以野外采样分析法 超富集植物相组合的植物修复技术。 为基础,锁定若干个目标铅超富集植物并对其同科、 (6)铅超富集植物体内铅的去向和最终处置。现 属的植物进行重点取样分析,可以有助于筛选出更多 阶段铅超富集植物体内重金属铅的回收利用主要采 的铅超富集植物。盆栽模拟实验是将植物幼苗种植在 用的是堆肥法、焚烧法、灰化法等方法,寻找出更好的 人为添加铅污染的土壤中,室内条件下对其整个生长 处置方法,可以达到合理利用资源、减少负面环境效 周期进行观察和记录,并测定这些植物对铅的吸收特 应的目的。 性,筛选出适合富集铅的植物。与生长在铅金属矿区 土壤环境的植物相比,盆栽模拟实验中的植物被驯化 参考文献 的时间短,有利于研究者从铅超富集植物自身机理等 [1]陈怀满.土壤一植物系统中的重金属污染[M].北 方面找到其抵抗重金属的内在原因,可为铅超富集植 京:科学出版社,1996. 物分子基因工程的研究提供理论依据。2种方法可配 [2]SINGH O V,LABANA S,PANDEY G,et a1.Phytore— 合使用于铅超富集植物的筛选。 mediation:an overview of metallic ion decontamination 欧美一些国家已有利用铅超富集植物修复铅污 from soil[J].Applied Microbiology and Biotechnology, 染土壤的案例。如美国Edenspace公司将印度芥菜和 2003(5—6):405—412. EDTA应用到新泽西Bayonne含铅污染土壤中,经过 [3]薛美香.土壤重金属污染现状与修复技术[J].广东 修复后该场地0~15cm和15~30cm土层铅含量分别 化工,2007(8):73—75. 由lO00 ̄6500mg·kg 和780-2100mg·kg 降至420 [4]程新伟.土壤铅污染研究进展[J].地下水,2011 2300mg·kg 和992~1280mg·kg _35]。俄罗斯也有利 (1):65—68. 用重金属超富集植物修复铅、镉和锌等重金属污染土 [5]张丽君.彭州市土壤污染防治技术的研究[D].成 壤的案例。国内对于铅超富集植物的研究起步较晚, 都:四川师范大学,2010. 多数研究局限于实验室内植物种类的筛选,应用于实 [6]杨金燕,杨肖娥,何振立.土壤中铅的来源及生物 际铅污染区域的修复相对较少。 有效性[J].土壤通报,2005(5):765—772. 4结语及展望 [7]王海波.荷花在硝酸铅环境下的生理变化及对铅 目前,关于土壤铅污染及其超富集植物研究有很 吸收效应的研究[D].郑州:河南农业大学,2009. 多,并且大多都是停留在理论层面。土壤重金属铅污 [8]陈波,林建国,陈清.土壤中的铅污染及其磷酸盐 染的范围广,持续时间长,污染较为隐蔽,无法被生物 修复技术研究[J].柳州职业技术学院学报,2009(2): 降解,并通过食物链不断地在生物体内富集,最终危 83-86. 害人体健康 ]。因此,未来很长一段时间内,土壤重 [9]张中一,朱长会.南京市郊菜地土壤重金属污染状 金属铅污染仍是我国乃至世界所要面对和急需解决 况[J].南京农专学报,1995(4):6—11. 的环境问题之一。植物修复技术应用于土壤铅污染的 [10]尚英男,尹观,倪师军,等.成都市土壤一植物系统 治理中有明显的生态效益、经济效益和社会效益,是 铅污染状况初步研究[J]_广东微量元素科学,2005(3): 一种理想的、具有广阔的发展前景的方法,今后重点 8-13. 研究方向主要有: [11]王新,周启星,任丽萍,等.矿区农产品质量及土 (1)将分子生物学和转基因技术应用于超富集植 壤一岩石界面重金属行为特性的研究[J]_农业环境科 物的培育中,以克服天然超富集植物的缺点,从外源 学学报,2004(3):459—463. 基因的角度人手培育出生物量大、积累量大、生长速 [12]陈英旭.环境学[M].北京:中国环境科学出版社, 第5期 2016年2月 江苏科技信息·技术探讨 No.5 February,2016 2001. soils using hyperaccumulator plants.In:Terry N.ed.Phytore— [13]杨宵霖,郑舜琼,刘廷筑,等.环境铅污染对妇女 生育功能危害的调查[J].环境与健康杂志,1998(4): 154—156. mediation of Contaminated Soil and Water[M].Boca Raton: Lewis Publishers,2000. 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(责任编辑胡峰) Study on Soil Lead Pollution and Hyperaccumulation in Plants Liu Qiuxiang,Zhang Mu,Yang Cheng (Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China) Abstract:Soil lead pollution induces serious environmental problems.Heavy metal lead is widely distributed and cumulative in the soil.which can be enriched into body through the food chain and subsequently endangers human health.Therefore.the improvement of soil lead pollution through phytoremediation is becoming of concern.This paper summarizes the source the current situation and the harm of soil lcad pollution.and briefly introduces the phytoremediation and hvperaccumulation plants.We simultaneously discuss the present research situation in the c0ntrol of soil lcad pollution.which can provide further information for controlling soil lcad pollution based on phytoremediation technology.This paper points out the problems existing in the hyperaccumulator extraction technology of soil heavy metals,and gives prospect of the future study on phytoremediation of hyperaecumulator. Key words:soil;heavy metal lcad;phytoremediation;hyperaccumulato 

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